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一、五种IO模型

众所周知，IO操作通常较慢，其根本原因在于需要访问外部设备。由于外设存在就绪状态的不确定性（可能我方接收缓冲区还没有数据，也可能对方缓冲区已经满了），导致必须等待其准备就绪。简而言之，IO过程就是等待与拷贝的结合，其中等待时间正是影响IO效率的关键因素。那么如何实现高效IO呢？核心在于尽量缩短单位时间内IO操作的等待占比。下面将介绍五种常见的IO优化模型。

我们可以将操作系统的 I/O 操作比作在大河中钓鱼：

1. 张三的阻塞式钓鱼（阻塞IO）：全神贯注盯着浮漂，没鱼上钩绝不挪动一步。就像程序遇到 I/O 操作时完全阻塞，必须等到数据到达才能继续执行。
2. 李四的非阻塞式钓鱼（非阻塞IO）：每五分钟检查一次鱼竿，没动静就去烧烤。程序通过轮询方式检查 I/O 状态，没有数据就处理其他任务，但频繁检查反而消耗资源。
3. 王五的信号驱动式钓鱼（信号驱动IO）：给鱼竿装上报警器，鱼上钩时铃声提醒才来收竿。程序通过信号机制获知数据就绪，但仍需主动完成数据拷贝。
4. 赵六的多路复用钓鱼（多路复用IO）：架设上百根鱼竿，哪根有动静就处理哪根。程序使用单个线程同时监控多个 I/O 通道，批量处理就绪事件。
5. 田七的自动钓鱼（异步IO）：直接点菜说要吃鱼，然后去打游戏，雇佣其他人来钓鱼。程序发起 I/O 请求后就完全放手，连数据拷贝都由系统自动完成。

接下来就有两个问题需要我们考量：
首先，阻塞和非阻塞相比，非阻塞的效率更高吗？

这和我们平常认识的不一样，我们这里谈论的效率，仅仅是单位时间内钓到的鱼的数量，因此，哪怕非阻塞能在等待时间里干些其他事情，这也不能算作是“效率高”。那么谁的钓鱼效率最高呢？毫无疑问必须是赵六（多路复用IO），同时有百根鱼竿，导致赵六一直在各个杆之间奔波钓鱼，这样就导致了单位时间内赵六等待的时间比重很低，效率自然就高了。

第二个问题，王五有没有等待呢？

王五相比于李四来说是不需要检测的，但王五仍然需要待在河边，不管他是在做什么事情，有鱼上钩了还是得他亲自来钓，可以说，王五是参与了钓鱼这个过程的，从这个角度来看，只要有人参与了IO（不管是等待还是拷贝操作），那么其就是同步的，上述中，唯有田七是完全撒手自己完全不参与钓鱼这个过程的，那么他就是异步的。

1.阻塞IO

阻塞式IO是最常见的IO

2.非阻塞IO

非阻塞 IO 往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询。这对 CPU 来说是较大的浪费, 一般只有特定场景下才使用。

3.信号驱动IO

4.IO多路转接

select这个系统调用和传统的IO系统调用（read/write/recv/send/recvfrom/sendto）等不同，这些传统系统调用都是 等 + 拷贝 合在一起使用，但只能对应一个文件描述符，而select却是一次能等待多个文件描述符，等待就绪后再调用recvfrom来拷贝，这样该接口就不用关心等待了。该技术在高性能服务器领域是必备的，后续会介绍。

5.异步IO

二、非阻塞IO

1.fcntl

一个文件描述符默认都是阻塞IO，但我们可以使用fcntl函数来对文件描述符属性进行修改，它的函数原型如下：

传入cmd的值不同，后面追加的参数也是不同的，fcntl有以下五种功能：

• 复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.
• 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD 或 F_SETFD).
• 获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL 或 F_SETFL).
• 获得/设置异步 I/O 所有权(cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN).
• 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK 或 F_SETLKW)

我们此处只是用第三种功能, 获取/设置文件状态标记, 就可以将一个文件描述符设置为非阻塞。

2.实现SetNoBlock

现在我们就能根据fcntl来实现一个SetNoBlock函数来将文件描述符设置为非阻塞了：只需要用F_GETFL取得当前文件描述符的属性（这是一个位图），然后再使用F_SETFL将文件描述符设置O_NONBLOCK后回去。

void SetNoBlock(int fd) 
{int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0) {perror("fcntl");return;}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}